Scheda Tecnica del Fotodiodo al Silicio PIN PD438B/S46 - Semi-Lente 4.8mm - Involucro Nero - Documento Tecnico in Italiano

1. Panoramica del Prodotto

Il PD438B/S46 è un fotodiodo al silicio PIN ad alte prestazioni, progettato per applicazioni che richiedono risposta rapida ed elevata sensibilità. È alloggiato in un compatto involucro plastico cilindrico a vista laterale con semi-lente da 4.8mm. Una caratteristica chiave di questo dispositivo è la sua resina epossidica, formulata per fungere da filtro infrarosso (IR) integrato. Questo filtro è spettralmente abbinato ai comuni emettitori IR, migliorando le prestazioni nelle applicazioni di rilevamento IR riducendo la sensibilità alla luce visibile indesiderata.

I vantaggi principali di questo fotodiodo includono i tempi di risposta rapidi, fondamentali per applicazioni di trasmissione dati ad alta velocità e commutazione, e la sua elevata fotosensibilità, che gli consente di rilevare efficacemente bassi livelli di luce. La sua piccola capacità di giunzione contribuisce alla risposta veloce e lo rende adatto per circuiti ad alta frequenza. Il dispositivo è realizzato con materiali privi di piombo e rispetta le normative ambientali pertinenti come RoHS e REACH UE, rendendolo adatto per prodotti con stringenti requisiti di conformità ambientale.

I mercati e le applicazioni primarie per il PD438B/S46 sono nell'elettronica di consumo, nell'automazione industriale e nei sistemi di comunicazione. Le sue specifiche lo rendono un componente ideale per i progettisti che lavorano su collegamenti dati ottici ad alta velocità, sistemi di rilevamento presenza e apparecchiature di misurazione della luce di precisione.

2. Analisi Approfondita dei Parametri Tecnici

2.1 Valori Massimi Assoluti

Il dispositivo è classificato per sopportare una tensione inversa massima (VR) di 32V. La dissipazione di potenza massima (Pd) è di 150 mW, che definisce i limiti termici di funzionamento. I terminali possono essere saldati a una temperatura fino a 260°C per una durata non superiore a 5 secondi, compatibile con i processi standard di saldatura a rifusione. L'intervallo di temperatura operativa è specificato da -40°C a +85°C e può essere conservato in ambienti da -40°C a +100°C. Questi valori garantiscono prestazioni affidabili in un'ampia varietà di condizioni ambientali.

2.2 Caratteristiche Elettro-Ottiche

La risposta spettrale del fotodiodo è definita dal suo intervallo di larghezza di banda spettrale (λ0.5), che va da 840 nm a 1100 nm. La lunghezza d'onda di sensibilità di picco (λp) è a 940 nm, posizionandolo saldamente nella regione del vicino infrarosso, comunemente utilizzata per telecomandi, sensori ottici e comunicazione in spazio libero.

Con un'irradianza di 5 mW/cm² a 940 nm, la tensione a circuito aperto tipica (VOC) è di 0.35V. La corrente di cortocircuito (ISC), misurata a 1 mW/cm² e 940 nm, è tipicamente di 18 µA. Questo parametro è una misura diretta della capacità di generazione di corrente del dispositivo sotto illuminazione.

La corrente luminosa inversa (IL) è la fotocorrente generata quando il diodo è polarizzato inversamente. A VR=5V e Ee=1 mW/cm² (λp=940nm), il valore tipico è 18 µA, con un valore minimo garantito di 10.2 µA. La corrente di buio (Id), che è la corrente di dispersione in assenza di illuminazione a VR=10V, è tipicamente di 5 nA con un massimo di 30 nA. Una bassa corrente di buio è essenziale per ottenere un buon rapporto segnale/rumore, specialmente in scenari di rilevamento a bassa luminosità.

La tensione di breakdown inversa (BVR) è specificata con un minimo di 32V quando scorre una corrente di 100 µA, con un valore tipico fino a 170V. La capacità terminale totale (Ct) a VR=5V e 1 MHz è tipicamente di 18 pF. Questa bassa capacità è un fattore chiave che abilita i rapidi tempi di salita e discesa. I tempi di salita e discesa (tr/tf) sono entrambi tipicamente di 50 nanosecondi quando il dispositivo è operato a VR=10V con una resistenza di carico (RL) di 1 kΩ.

3. Analisi delle Curve di Prestazione

La scheda tecnica fornisce diverse curve caratteristiche che offrono una visione più approfondita del comportamento del dispositivo in condizioni variabili.

Figura 1: Dissipazione di Potenza vs. Temperatura AmbienteIllustra la derating della dissipazione di potenza massima consentita all'aumentare della temperatura ambiente. Questo grafico è cruciale per la progettazione della gestione termica per prevenire il surriscaldamento e garantire l'affidabilità a lungo termine.

Figura 2: Sensibilità SpettraleMostra la responsività relativa del fotodiodo attraverso lo spettro di lunghezze d'onda da circa 600 nm a 1200 nm. La curva raggiunge il picco a 940 nm e mostra l'effetto filtrante della resina epossidica, che attenua la risposta al di fuori della banda IR target.

Figura 3: Corrente di Buio vs. Temperatura AmbienteDimostra come la corrente di dispersione (Id) aumenti esponenzialmente con la temperatura. Questa relazione è vitale per le applicazioni che operano a temperature elevate, poiché definisce il rumore di fondo del sensore.

Figura 4: Corrente Luminosa Inversa vs. Irradianza (Ee)Raffigura la relazione lineare tra la fotocorrente generata e la densità di potenza della luce incidente. Questa linearità è una proprietà fondamentale dei fotodiodi PIN ed è essenziale per le applicazioni di misurazione analogica della luce.

Figura 5: Capacità Terminale vs. Tensione InversaMostra che la capacità di giunzione diminuisce con l'aumentare della tensione di polarizzazione inversa. I progettisti possono utilizzare questa relazione per ottimizzare la velocità del loro circuito selezionando un punto di polarizzazione appropriato.

Figura 6: Tempo di Risposta vs. Resistenza di CaricoIndica come il tempo di salita/discesa del segnale di uscita del fotodiodo sia influenzato dalla resistenza di carico ad esso collegata. Si ottiene una risposta più veloce con resistenze di carico più basse, anche se ciò può compromettere l'escursione della tensione di uscita.

4. Informazioni Meccaniche e di Confezionamento

4.1 Dimensioni dell'Involucro

Il PD438B/S46 è fornito in un involucro cilindrico a vista laterale. Le dimensioni chiave includono un diametro del corpo e un'altezza della semi-lente come definito nel disegno dell'involucro. Tutte le tolleranze non specificate per le dimensioni lineari sono ±0.25mm. L'involucro è di colore nero, il che aiuta a ridurre l'interferenza della luce parassita. La configurazione a vista laterale consente di rilevare la luce da una direzione parallela al piano del PCB, utile in applicazioni come il rilevamento carta nelle stampanti o il sensing di bordo.

4.2 Identificazione della Polarità

Il catodo è tipicamente identificato da un terminale più lungo, una tacca o un punto piatto sul corpo dell'involucro. La polarità corretta deve essere osservata durante il montaggio, poiché la polarizzazione inversa è la condizione operativa standard per i fotodiodi utilizzati in modalità fotoconduttiva.

5. Linee Guida per la Saldatura e il Montaggio

Il dispositivo è adatto per processi di saldatura a onda e a rifusione. Il valore massimo assoluto per la temperatura di saldatura dei terminali è 260°C, con la nota che il tempo di saldatura non deve superare i 5 secondi. Si raccomanda di seguire le linee guida IPC standard per la saldatura di componenti elettronici. Il dispositivo deve essere conservato in un ambiente asciutto e antistatico all'interno del suo intervallo di temperatura di conservazione specificato da -40°C a +100°C per prevenire l'assorbimento di umidità e danni elettrostatici.

6. Informazioni su Confezionamento e Ordini

La specifica di imballaggio standard è la seguente: da 200 a 500 pezzi sono confezionati in una busta barriera all'umidità. Sei di queste buste sono poste in una scatola interna. Dieci scatole interne sono poi imballate in una scatola di spedizione principale. L'etichetta sull'imballaggio include campi per il numero di parte del cliente (CPN), il numero di parte del produttore (P/N), la quantità di imballaggio (QTY) e il numero di lotto (LOT No.). Altri campi come CAT, HUE e REF, comuni per gli LED per indicare intensità, lunghezza d'onda e bin di tensione, non sono applicabili per questo fotodiodo poiché non è classificato nello stesso modo; questi campi possono essere lasciati vuoti o utilizzati per altre informazioni di tracciabilità.

7. Suggerimenti Applicativi

7.1 Scenari Applicativi Tipici

• Rilevamento Ottico ad Alta Velocità:Ideale per encoder ottici, comunicazione dati su fibra ottica plastica (POF) e rilevamento di fasci laser dove è richiesta una risposta nanosecondica.
• Applicazioni Fotocamera:Può essere utilizzato per il rilevamento della luce ambientale (ALS) o la rilevazione di prossimità IR in smartphone, tablet e fotocamere digitali. Il filtro IR integrato aiuta a misurare accuratamente i livelli IR.
• Interruttori Foelettrici:Adatto per il rilevamento oggetti, conteggio e sensing di posizione in distributori automatici, automazione industriale e sistemi di sicurezza.
• Elettronica di Consumo:Utilizzato in videoregistratori e videocamere per il rilevamento fine nastro o la ricezione di segnali di controllo.

7.2 Considerazioni di Progettazione

Quando si progetta un circuito con il PD438B/S46, considerare quanto segue:

• Tensione di Polarizzazione:Viene applicata una tensione di polarizzazione inversa (tipicamente 5V a 10V come per le condizioni della scheda tecnica) per allargare la regione di svuotamento, riducendo la capacità e migliorando la velocità. Assicurarsi che la tensione non superi il valore massimo di 32V.
• Resistenza di Carico (RL):Il valore di RL nella configurazione transimpedenza influisce direttamente sulla larghezza di banda e sulla tensione di uscita. Una RL più piccola dà una risposta più veloce ma un segnale di uscita inferiore. La Figura 6 nella scheda tecnica è un riferimento chiave.
• Amplificazione:La fotocorrente è piccola (microampere). Un amplificatore di transimpedenza (TIA) è quasi sempre utilizzato per convertire questa corrente in un segnale di tensione utilizzabile. Scegliere un amplificatore operazionale con bassa corrente di polarizzazione di ingresso e sufficiente larghezza di banda.
• Riduzione del Rumore:Schermare il fotodiodo e le sue tracce di collegamento dal rumore elettrico. Utilizzare un condensatore di bypass vicino ai pin di alimentazione del dispositivo se viene utilizzato un circuito di polarizzazione attivo. La bassa corrente di buio aiuta a mantenere un buon rapporto segnale/rumore.
• Considerazioni Ottiche:Assicurarsi che la lente sia pulita e non ostruita. L'involucro a vista laterale può richiedere un'attenta progettazione meccanica per allineare correttamente il percorso della luce.

8. Confronto e Differenziazione Tecnica

Rispetto ai fotodiodi PN standard, la struttura PIN del PD438B/S46 offre vantaggi distinti. La regione intrinseca (I) tra gli strati P e N crea una regione di svuotamento più ampia. Ciò si traduce in due benefici primari:1) Capacità di Giunzione Inferiore:La regione di svuotamento più ampia agisce come un dielettrico più largo, riducendo significativamente la capacità (tipicamente 18 pF), che è il principale abilitatore per il funzionamento ad alta velocità.2) Linearità e Sensibilità Migliorate:L'ampia regione intrinseca consente una raccolta più efficiente dei portatori fotogenerati in un volume più ampio, portando a una migliore linearità tra fotocorrente e irradianza e potenzialmente a una maggiore efficienza quantica alla sua lunghezza d'onda di picco.

Inoltre, l'integrazione di una resina epossidica filtrante IR direttamente nell'involucro è una caratteristica differenziante. Elimina la necessità di un filtro IR esterno separato, risparmiando spazio, riducendo i costi e semplificando l'assemblaggio. Ciò lo rende particolarmente vantaggioso per i design compatti dell'elettronica di consumo.

9. Domande Frequenti (Basate sui Parametri Tecnici)

D: Qual è la differenza tra corrente di cortocircuito (ISC) e corrente luminosa inversa (IL)?

R: ISC è misurata con zero volt ai capi del diodo (condizione di cortocircuito). IL è misurata quando il diodo è polarizzato inversamente (ad esempio, a VR=5V). In pratica, per un fotodiodo PIN, questi valori sono molto simili perché la fotocorrente è largamente indipendente dalla tensione di polarizzazione inversa nel normale intervallo operativo.

D: Perché il tempo di salita/discesa è specificato con un carico di 1 kΩ?

R: Il carico di 1 kΩ rappresenta una condizione di carico comune per i test e per circuiti semplici. Il tempo di risposta effettivo nella tua applicazione dipenderà dalla resistenza di carico specifica del tuo circuito e dalle capacità parassite, come mostrato nella Figura 6.

D: Questo fotodiodo può essere utilizzato per il rilevamento della luce visibile?

R: Sebbene il materiale di silicio stesso sia sensibile alla luce visibile (come si vede nella curva spettrale che si estende fino a ~600nm), l'involucro in resina nera agisce da forte filtro. La sua sensibilità nello spettro visibile sarà notevolmente attenuata rispetto al picco a 940 nm. È progettato principalmente per applicazioni nel vicino infrarosso.

D: Come interpreto i valori "Tip." nella tabella delle caratteristiche?

R: "Tip." sta per valore tipico, che è la media attesa in condizioni specificate. Non è garantito. A fini progettuali, specialmente per parametri critici, si dovrebbero utilizzare i valori "Min." o "Max." per garantire che il circuito funzioni correttamente in tutte le variazioni di produzione e condizioni.

10. Esempi Pratici di Progettazione e Utilizzo

Esempio 1: Interruttore Semplice per Rilevamento Oggetti

Un interruttore foto-elettrico di base può essere realizzato accoppiando il PD438B/S46 con un LED IR (ad esempio, che emette a 940 nm). Il fotodiodo è collegato in polarizzazione inversa con una resistenza di pull-up a Vcc (ad esempio, 5V). Il nodo di uscita tra la resistenza e il catodo del fotodiodo è inviato a un comparatore o a un pin di ingresso digitale di un microcontrollore. Quando un oggetto interrompe il fascio IR tra il LED e il fotodiodo, la fotocorrente cala, causando l'aumento della tensione al nodo di uscita, innescando il segnale di rilevamento. Il tempo di risposta rapido consente il rilevamento di oggetti in rapido movimento.

Esempio 2: Sensore di Luce Ambientale con Microcontrollore

Per la misurazione analogica del livello di luce, il fotodiodo può essere collegato a un amplificatore di transimpedenza. La tensione di uscita del TIA, proporzionale all'intensità della luce IR incidente, viene quindi inviata a un ingresso convertitore analogico-digitale (ADC) di un microcontrollore. L'MCU può utilizzare questa lettura per regolare automaticamente la luminosità di un display o per determinare se è presente un segnale di telecomando IR. Il filtro IR integrato aiuta a garantire che la lettura sia specifica per la componente IR della luce ambientale.

11. Introduzione al Principio di Funzionamento

Un fotodiodo PIN è un dispositivo a semiconduttore che converte la luce in corrente elettrica. Consiste in uno strato di materiale semiconduttore intrinseco (non drogato o leggermente drogato) (la regione "I") racchiuso tra uno strato di tipo P e uno di tipo N. Quando fotoni con energia maggiore del bandgap del semiconduttore (per il silicio, luce con lunghezza d'onda inferiore a ~1100 nm) colpiscono il dispositivo, possono creare coppie elettrone-lacuna nella regione intrinseca. Quando viene applicata una tensione di polarizzazione inversa, crea un forte campo elettrico attraverso la regione intrinseca. Questo campo spazza rapidamente i portatori fotogenerati verso i rispettivi terminali—elettroni verso il lato N e lacune verso il lato P—generando una fotocorrente misurabile nel circuito esterno. La larghezza della regione intrinseca è fondamentale: consente una generazione e raccolta efficiente dei portatori mantenendo bassa la capacità del dispositivo.

12. Tendenze e Contesto Tecnologico

Fotodiodi al silicio PIN come il PD438B/S46 rappresentano una tecnologia matura e altamente affidabile. Le tendenze attuali in questo campo si concentrano su diverse aree:Miniaturizzazione:Sviluppo di ingombri di package più piccoli (ad esempio, package chip-scale) per applicazioni con vincoli di spazio come dispositivi indossabili e telefoni cellulari.Integrazione:Combinazione del fotodiodo con circuiti di amplificazione, digitalizzazione ed elaborazione del segnale su un singolo chip per creare sensori ottici intelligenti.Prestazioni Potenziate:Ricerca su strutture come fotodiodi a valanga (APD) per applicazioni che richiedono sensibilità estrema, sebbene siano più complessi e costosi.Nuovi Materiali:Esplorazione di materiali come il germanio o i composti III-V (ad esempio, InGaAs) per il rilevamento a lunghezze d'onda infrarosse più lunghe, non accessibili con il silicio standard. Per le applicazioni mainstream nel vicino infrarosso fino a 1100 nm, il silicio rimane il materiale dominante ed economico di scelta grazie alla sua eccellente produttività e prestazioni.